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MEMS硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设计

MEMS硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设计-目前敏感薄膜的材料多采用重掺杂p型硅、Si3N4、单晶硅等。这几种材料都各有优缺点,其选择与目标要求和具体工艺相关。硅膜不破坏晶格,机械性能优异,适于阳极键合形成空腔,从简化工艺的目的出发,本方案选择硅膜。

根本原理和结构

电容式压力传感器的根本结构如图1所示。式中:ε0为真空中的介电常数;t为绝缘层的厚度;εr为绝缘层的相对介电常数;g为零载荷时电容器两极板之间的初始间隔;ω(x,y)为极板膜的中平面的垂向位移。

MEMS硅膜%&&&&&%式压力传感器的根本原理和结构规划

由公式可知,外界压力经过改动电容的极板面积和距离来改动电容。跟着压力渐渐增大,电容因极板距离减小而增大,此刻电容值由非触摸电容来决议;当两极板触摸时,电容的大小则主要由触摸电容来决议。

传感器的规划与制作

灵敏薄膜是传感器最中心的部件,其资料、尺度和厚度决议着传感器的功能。

现在灵敏薄膜的资料多选用重掺杂p型硅、Si3N4、单晶硅等。这几种资料都各有优缺点,其挑选与方针要求和详细工艺相关。硅膜不损坏晶格,机械功能优异,适于阳极键合构成空腔,从简化工艺的意图动身,本方案挑选硅膜。

使用有限元分析软件ANSYS对触摸式结构的薄膜作业状况进行了模仿。资料为Si,膜的形状为正方形,边长1000 μm,膜厚5 μm,极板距离10 μm。在1.01&TImes;105Pa的大气压力下,薄膜中心触摸部分及四个边角根本不受应力,四边中心应力最大为1.07 MPa,小于硅的屈服应力7 MPa,其应力散布如图2所示。

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整个制作流程都选用规范工艺,如图3所示。先热氧化100 nm的SiO2,既作为腐蚀Si的掩膜,又作为电容两电极的绝缘层。使用各向异性腐蚀构成电容空腔和将来露电极的停刻槽,假如硅片厚度共同且KOH腐蚀速率均匀,此法能够在相当程度上等效于自中止腐蚀。从玻璃上引出电容两电极,然后和硅片进行阳极键合。键合片使用KOH腐蚀减薄后反响离子深刻蚀显露丈量电极。

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